高大中庭組合桁架鋼屋蓋的預(yù)留洞分段安裝技術(shù)

中國建筑第五工程局有限公司安徽分公司 合肥 230051

近年來，一些場館建筑里較多的設(shè)計(jì)形式為組合鋼桁架鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。在屋蓋的吊裝方法中，有高空散裝法、整體吊裝法、屋面整體滑移法等。三種方法各有利弊，選擇一種合理的吊裝方法是施工的難點(diǎn)[1]。

1 工程概況

蚌埠三館工程由規(guī)劃館、檔案館、博物館組成，建筑面積68 325.98 m2，其中博物館單體地下局部1 層，地上5 層，總高34.4 m；規(guī)劃館、檔案館單體地下局部1 層，地上6 層，總高30.45 m，三館均為框架結(jié)構(gòu)。其中博物館中庭1～5層部分內(nèi)空，四周設(shè)有勁性混凝土斜交網(wǎng)格柱，中庭頂部為36 m×36 m大跨度鋼桁架屋蓋。

2 施工工藝流程

高大中庭組合桁架鋼屋蓋預(yù)留洞分段安裝施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→工廠預(yù)拼裝→預(yù)留吊裝洞口→分段吊裝→洞口處理。

3 施工準(zhǔn)備

對(duì)于中庭組合桁架鋼屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目部采用Sketchup、X-steel軟件建立了相應(yīng)模型，如圖1、圖2所示。

BIM模型的建立對(duì)于優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、二維CAD出施工圖紙，以及對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行三維數(shù)控加工起到了非常大的指導(dǎo)作用，同時(shí)為現(xiàn)場精確定位、安裝提供了三維坐標(biāo)，為安裝帶來便利。

圖1 博物館中庭Sketchup模型

圖2 中庭組合桁架鋼屋蓋X-steel模型

4 工廠預(yù)拼裝

鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝是將分段制造的大跨度柱、梁、桁架、支撐等鋼構(gòu)件和多層鋼框架結(jié)構(gòu)，特別是用高強(qiáng)度螺栓連接的大型鋼結(jié)構(gòu)、分塊制造和供貨的鋼殼體結(jié)構(gòu)等，在出廠前進(jìn)行整體或分段、分層臨時(shí)性組裝的作業(yè)過程。預(yù)拼裝是控制質(zhì)量、保證構(gòu)件在現(xiàn)場順利安裝的有效措施[2,3]。

預(yù)拼裝方法分為整體預(yù)拼裝、分段預(yù)拼裝和分層預(yù)拼裝。本工程中庭鋼結(jié)構(gòu)采用分段預(yù)拼裝方法。

1）工廠預(yù)拼裝流程為：拼裝胎架搭設(shè)→地樣線的畫制→拼裝構(gòu)件組對(duì)及局部調(diào)整→尺寸檢驗(yàn)→連接處焊接聯(lián)接耳板并畫出安裝定位線→構(gòu)件編號(hào)確認(rèn)→構(gòu)件下胎架→包裝、發(fā)運(yùn)。

2）具體拼裝示意。從整體上分析，工廠拼裝有2 種方案，一種是先次梁→定位主梁→定位鑄鋼件節(jié)點(diǎn)；另一種是先定位鑄鋼件節(jié)點(diǎn)→主梁→定位次梁。由于采用的是單元拼裝，在尺寸的準(zhǔn)確度上，采用第1種方案比較好一些，能夠較準(zhǔn)確判斷鑄鋼件和主梁牛腿的準(zhǔn)確度。現(xiàn)場安裝第1榀的工廠預(yù)拼裝示意如圖3～圖5所示。

圖3 從一側(cè)依次拼裝次梁、主梁

圖4 從一側(cè)依次拼裝鑄鋼件

圖5 利用三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行掃描

3）鋼結(jié)構(gòu)分段運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場。鋼構(gòu)件預(yù)拼裝完成后，與BIM模型進(jìn)行尺寸復(fù)核，確認(rèn)合格后，分段運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行安裝。

5 預(yù)留吊裝洞口

1）預(yù)留吊裝洞口。本工程采用預(yù)留吊裝洞口的方法，中庭地下室頂板施工時(shí)，在中庭地下室頂板適當(dāng)區(qū)域留置28 m×28 m的預(yù)留吊裝洞口，在地下室相應(yīng)位置的外墻上預(yù)留寬4.5 m的吊車進(jìn)出洞口（圖6）。

圖6 預(yù)留洞口處理

2）吊車進(jìn)場線路。外墻洞口東側(cè)留置進(jìn)出坡道，吊車從坡道進(jìn)入，經(jīng)外墻預(yù)留洞口到達(dá)地下室中庭。

6 分段吊裝

鋼桁架組合屋蓋為36 m×36 m方鋼組合框架斜交矩形結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸和吊裝要求進(jìn)行分片或分段。桁架分為HJ1（3 片）、HJ2（3 片）、HJ3（3 片）、HJ4（1 片），及HJ5、HJ6、HJ7各2 片，各單件梁288 件。主桁架最大長度為33.6 m，最大單件長度為32.6 m、質(zhì)量31 t，安裝高度39.9 m，其中地下室總高度5 m。

吊裝采用1 600 kN和2 000 kN吊車。2 000 kN吊車伸出臂長50 m，回轉(zhuǎn)半徑10 m，75%力矩可安裝33 t，85%力矩可完全滿足施工要求。

6.1 桁架吊裝流程

利用1 500 kN汽車吊先吊邊跨4 榀主桁架→吊裝5～L軸3 榀斜向短桁架（分段為8.5 m的桁架）→將桁架之間的支撐全部連接并焊接完成（便于后續(xù)大跨度桁架安裝的安全性）→安裝斜向大跨度桁架，并在大跨度桁架中間用臨時(shí)支撐進(jìn)行固定，以防止變形→安裝剩余主桁架→安裝所有次桁架（從大跨度桁架中間開始安裝，以控制變形）。次桁架的吊裝方法如圖7所示（在每榀次桁架的上平面均設(shè)置安全生命繩）。

圖7 次桁架吊裝順序

6.2 桁架吊裝

吊裝采用臨時(shí)固定，采用自制圓管φ133 mm×8 mm螺栓連接，根據(jù)現(xiàn)場安裝要求，工廠內(nèi)組合成片狀運(yùn)至現(xiàn)場，安裝前對(duì)預(yù)埋件尺寸進(jìn)行復(fù)核無誤、對(duì)構(gòu)件尺寸進(jìn)行驗(yàn)收合格后，方可組織吊裝。首先從西南角開始安裝，考慮構(gòu)件質(zhì)量、跨度，其中HJ4最長、最重，最長為25.452 m，最大質(zhì)量為25 t，采用1 600 kN吊車，臂長50 m，吊裝半徑8 m，起重負(fù)荷360 kN，完全滿足先前吊裝。

安裝HJ1、HJ2、HJ3、HJ4后，用塔吊進(jìn)行桿件安裝并焊接，然后進(jìn)行下一步安裝（圖8）。

安裝西北角HJ1、HJ2、HJ3、HJ5與西南角形式相同，HJ6、HJ7采用2 000 kN汽車吊，最大質(zhì)量為31 t，最大長度為33.6 m。2 000 kN吊車伸出臂長50 m的起重最大負(fù)荷為330 kN，旋轉(zhuǎn)半徑9 m，能夠滿足安裝要求（HJ7）。按順序安裝后，采用臨時(shí)支撐固定，并用6515型塔吊安裝連接桿件（圖9）。

圖8 安裝桁架HJ1、HJ2、HJ3、HJ4

7 洞口處理

7.1 預(yù)留洞口安全防護(hù)

由于地下室預(yù)留洞口為無梁樓蓋，安全圍護(hù)高度需大于1 100 mm，掛設(shè)安全網(wǎng)，并設(shè)置警示標(biāo)語（圖10）。

圖9 鋼屋蓋吊裝過程

圖10 預(yù)留洞口安全防護(hù)措施

7.2 預(yù)留洞口處理

根據(jù)規(guī)范要求，預(yù)留方洞的四周施工縫應(yīng)作加強(qiáng)處理，包括結(jié)構(gòu)、防水、后封板等幾個(gè)方面。

1）施工縫結(jié)構(gòu)處理。地下室頂板厚度為100 mm，在預(yù)留洞口范圍內(nèi)，需要斷開預(yù)留施工縫。根據(jù)施工規(guī)范要求，洞口四周板需增加與原設(shè)計(jì)頂板相同直徑及間距的加強(qiáng)筋，鋼筋錨入頂板、梁混凝土長度Ld，伸出頂板、梁外長度500 mm。本工程中，在洞口四周將φ12 mm@400 mm的附加分布鋼筋加密為φ12 mm@200 mm，伸入洞口內(nèi)500～1 000 mm。頂板原設(shè)計(jì)面筋和底筋伸入預(yù)留洞內(nèi)500～1 000 mm，且相鄰2 根相互錯(cuò)開，待補(bǔ)澆預(yù)留洞口混凝土?xí)r，再用相同直徑、間距的鋼筋與之焊接。

2）施工縫防水處理。地下室頂板、梁預(yù)留洞四周，采用快易收口網(wǎng)，其高度與梁高及板厚相等，用以增加新老混凝土的連接，同時(shí)在補(bǔ)澆預(yù)留洞口混凝土?xí)r，在板厚的中部沿預(yù)留洞口四周滿布一圈300 mm×3 mm止水鋼板。

3）后封板施工。補(bǔ)澆預(yù)留洞口混凝土，采用比原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度高一級(jí)的混凝土補(bǔ)澆，本工程中采用強(qiáng)度等級(jí)為C35、抗?jié)B等級(jí)為P8的微膨脹混凝土補(bǔ)澆地下室頂板預(yù)留洞口。

8 經(jīng)濟(jì)效益分析

常見吊裝方法與本安裝技術(shù)分析對(duì)比如表1所示。

表1 常見吊裝方法與本安裝技術(shù)分析對(duì)比表

對(duì)高大中庭組合桁架鋼屋蓋預(yù)留洞口分段安裝技術(shù)的研究，利用BIM技術(shù)對(duì)鋼構(gòu)和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充分優(yōu)化，不但節(jié)省了鋼材，而且減少了操作難度，節(jié)約了工期。

高大中庭組合桁架鋼屋蓋不采用常見的高空散裝法、整體吊裝法、屋面整體滑移法等，而采用預(yù)留吊裝洞口的方法，吊車進(jìn)入地下室中庭直接進(jìn)行吊裝，吊裝易操作、施工簡便、工期短、成本低廉，技術(shù)創(chuàng)效顯著[4,5]。

9 結(jié)語

項(xiàng)目通過應(yīng)用BIM技術(shù)、創(chuàng)新吊裝方法等手段，高質(zhì)量地完成了本工程施工，取得了一系列社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于具有地下室、高大中庭和鋼屋蓋的博物館、展覽館等場館類，且中庭結(jié)構(gòu)跨度大、高度高、地下室頂板承載力小、鋼屋蓋質(zhì)量較大的建筑，具有很好的工程參考價(jià)值，為今后類似工程的施工提供了可借鑒的方法。